세라믹이 연성 로봇에서 촉각과 온도까지 감각을 확대하는 핵심 요소가 될 수 있을까?

마음에 들든 안 들든, 당신의 다음 동료는 로봇일 수 있습니다. 오늘날, 점점 더 많은 사람들이 자율 기계와 함께 일하고 있습니다. 이러한 장치는 물품 정렬부터 수술 수행에 이르기까지 다양한 작업을 수행하는 데 이상적입니다. 따라서 이러한 장치가 환경을 더 잘 이해할 수 있도록 감각 범위를 확대하려는 강력한 수요가 있습니다.

인간 손처럼 물체를 느끼고 조작할 수 있는 로봇이 곧 등장합니다. 최근 Empa 엔지니어 그룹이 감각 로봇 개념을 한 단계 더 발전시켰습니다. 여기서는 세라믹이 온도, 촉감, 압력 등을 감지할 수 있는 로봇을 만드는 핵심이 될 수 있는 방법에 대해 알아봅니다.

스마트 세라믹 연구

Advanced Intelligent Systems에 게재된 연구 “Sensor-Embedded Muscle for Closed-Loop Controllable Actuation in Proprioceptive Biohybrid Robots”¹는 엔지니어들이 고급 세라믹을 활용해 감각을 가질 수 있는 로봇 부품을 만든 방법을 상세히 설명합니다. 논문에서 엔지니어들은 전기 펄스와 로봇 표면에 직접 통합된 센서를 활용한 인공 감각 장치의 제작에 대해 깊이 탐구합니다.

연성 세라믹

프로젝트를 이해하려면 먼저 세라믹이 다양한 형태로 존재한다는 점을 인식해야 합니다. 장식품이나 주방용품을 떠올릴 수 있지만, 고성능 세라믹도 있습니다. 이러한 세라믹은 전기를 전도하고 오늘날 많은 전자 기기의 견고한 구조를 제공합니다. 특히 연구진은 다양한 세라믹을 실험하여 그 행동과 특성을 파악하는 것으로 연구를 시작했습니다.

실험 과정에서 팀은 이 재료를 작은 입자로 분해한 뒤, 열가소성 매트릭스에 삽입한 방법을 상세히 설명했습니다. 흥미롭게도 전문 3D 프린터를 사용해 삽입 과정을 정확히 수행했습니다. 이후 신축성 플라스틱을 조작하여 엔지니어들이 다양한 탄성 및 위치에서 재료의 거동을 측정할 수 있게 했습니다.

고성능 세라믹 테스트

연성 센서 재료는 온도, 변형, 압력 또는 습도를 감지할 수 있는지 테스트되었습니다. 이 장치들은 전기 펄스를 이용해 다양한 감각을 감지할 수 있었습니다. 이후 팀은 세라믹 매트릭스를 활용해 보조 손을 제작했습니다.

보조 손

보조 손은 연성 센서의 정확도와 민감도를 테스트하는 데 사용되었습니다. 손에 적용된 센서는 열과 압력을 감지하도록 설계되었습니다. 또한 재료는 손의 다른 부위와의 상대적인 위치를 파악할 수 있었습니다. 연구 결과, 팀은 압력을 감지하고 다른 사람을 만졌을 때 반응하는 손을 성공적으로 만들었다는 결론을 내렸습니다.

로봇 피부

연구진은 다음 단계로 로봇 피부를 만들려고 시도했습니다. 팀은 다층 세라믹 매트릭스를 제작하는 것으로 시작했습니다. 이 매트릭스는 촉감과 온도 변화를 감시하도록 특수한 층 구조를 가진 세라믹 입자로 채워졌습니다. 이 로봇 피부는 인간 피부와 유사한 외관과 촉감을 제공하도록 설계되어 인간과 가까이 작업하는 로봇에 적합한 스마트 옵션이었습니다. 이후 팀은 AI 모델을 개발하기 시작했습니다.

스마트 보조 장치

AI 모델은 환경 및 조건에 따라 손의 반응을 제어합니다. 구체적으로, AI 모델은 4,500개의 측정값과 근육 움직임을 사용해 학습되었습니다. 이 훈련은 ETH 취리히와 도쿄 대학의 엔지니어들과 함께 진행되었습니다. 보조 장치는 조직에 통합된 압전 저항 센서를 사용해 움직임으로 전력을 생성하므로 배터리가 필요하지 않습니다.

결과

연구 결과는 로봇이 인간과 안전하게 함께 작업할 수 있는 능력을 어떻게 구현할 수 있는지를 정확히 보여줍니다. 이러한 장치는 사람과 충돌했을 때 이를 인식하고 물러나 부상을 방지할 수 있습니다. 또한 시스템의 AI는 각 상호작용에서 지속적으로 학습하여 감각을 갖춘 최초의 고유감각 바이오하이브리드 로봇이 됩니다.

잠재적 적용 분야

이 기술에는 다양한 적용 분야가 있습니다. 고급 AI 시스템과 감각을 가진 로봇을 결합하면 보다 안전한 기계가 개발됩니다. 이러한 장치는 인간만이 수행할 수 있던 작업을 수행할 수 있게 되며, 환경을 감지하고 상황에 맞게 행동을 조정할 수 있어 더욱 다재다능해집니다.

연성 로봇공학

연성 로봇공학은 전통적인 방법 대신 연성 소재를 활용하는 장치를 말합니다. 연성 로봇은 다양한 형태로 존재합니다. 예를 들어, 로봇 분류기는 과일 및 섬세한 제품을 손상 없이 집어 옮겨야 합니다. 이러한 장치는 감지 피부와 인간 손처럼 작동하도록 하는 기타 변형이 도입되면서 큰 업그레이드를 기대하고 있습니다.

연성 로봇은 최근 여러 이유로 관심을 끌고 있습니다. 이들은 사람과 충돌해도 해를 끼치지 않으며, 어려운 지형을 통과하기 위해 형태를 변형할 수 있습니다. 이러한 발전으로 연성 로봇은 곧 온도와 압력을 감지하게 될 것입니다.

헬스케어

여러 기업이 로봇 외과 의사를 전문으로 하고 있습니다. 이러한 장치는 정밀도와 광학 센서를 활용해 장치를 안내합니다. 압력 및 온도 센서가 도입되면 로봇은 환자의 상태에 맞추어 보다 정교한 수술을 수행할 수 있습니다.

특히 스마트 보조 장치는 수백만 명의 환자에게 더 나은 삶의 질을 제공할 수 있습니다. 차세대 제품은 다중 감각을 통합해 환자에게 자연스러운 경험을 제공할 것입니다. 또한 이 기술을 최근 뇌 제어기술과 결합하면 환자용 대체 보조 장치가 원래 장치보다 더 뛰어난 능력을 갖는 날이 올 수 있습니다.

수색 및 구조

연성 로봇은 수색 및 구조 분야에서 특별한 역할을 찾았습니다. 이 장치는 인간이 접근하기 어려운 거친 환경을 통과할 수 있습니다. 뱀처럼 구부리거나 작은 곤충 형태로 만들 수 있습니다. 인상적으로도, 이러한 장치는 이미 재난 지역에서 인명을 구하는 데 활용되었습니다. 로봇은 위험한 재난 지역에 진입해 다른 구조대가 도착하기 전에 필요한 도움을 제공할 수 있습니다.

앞으로 이 장치는 도움이 필요한 사람을 찾아내고 생체 신호를 정기적으로 스캔해 구조대에게 환자의 상태에 대한 중요한 데이터를 제공할 수 있습니다. 또한 로봇은 부상자를 구조하기 위한 최적 경로를 평가하고, 열이나 화학 물질과 같은 위험을 구조대에 알릴 수 있습니다.

농업

전 세계 농부들은 효율성을 높일 쉬운 방법을 끊임없이 모색하고 있습니다. 인구가 증가함에 따라 농부들은 증가하는 수요를 충족시키기 위해 지속적으로 혁신하고 있습니다. 연성 로봇공학은 작물의 준비, 파종, 수확 및 품질 관리를 돕습니다. 이러한 장치는 AI 시스템을 통합해 능력을 더욱 향상시켜 과일이 익었는지 부패했는지를 높은 정확도로 판단할 수 있습니다.

연구자들

Empa 고성능 세라믹 연구소가 이 연구를 주도했습니다. 팀은 케임브리지 대학과 협력해 AI 기반 보조 사지를 개발했습니다. 이제 팀은 노력을 확대해 보다 진보된 로봇을 만들고 AI 모델의 역량을 확장하려 하고 있습니다.

이 연구로 혜택을 받을 수 있는 기업

로봇 산업이 성장하고 있습니다. 따라서 향후 몇 년간 제조 라인에 더 많은 로봇이 투입될 것으로 예상됩니다. 로봇은 위험과 비용을 줄이고 품질을 향상시킵니다. 이에 따라 더 많은 기업이 로봇을 도입하려 합니다. 다음은 향후 몇 달 안에 이 연구를 최대한 활용할 수 있는 적합한 기업입니다.

Zebra Technologies

Zebra Technologies (ZBRA )는 1969년에 시장에 진입했으며, 원래는 Data Specialties Incorporated였습니다. 창립자 Ed Kaplan과 Gerhard Cless는 사용자 경험을 향상하고 혁신적인 솔루션을 제공하는 소프트웨어·하드웨어 회사를 만들고자 했습니다. 그들은 바코드 스캐너를 최초로 제공하는 등 다수의 기술을 개척하는 데 성공했습니다.

1986년에 회사는 Zebra Technologies로 브랜드를 변경했습니다. 오늘날 이 회사는 로봇, 서비스 및 소프트웨어 솔루션을 제공하는 유명 기업입니다. 특히 fetch100 Roller와 Fetch100 Shelf는 제조 시설을 자율적으로 이동하며 토트를 분류·배송할 수 있습니다. 이 로봇은 이미 전 세계적으로 사용되고 있으며 높은 평가를 받고 있습니다.

Zebra Technologies는 여러 이유로 포트폴리오에 현명한 추가가 될 수 있습니다. 첫째, 이 회사는 오랫동안 성장세를 유지해 왔습니다. 2002년 포브스 잡지의 “미국 최고의 중소기업 200선”에 선정되는 등 다양한 상을 받았습니다.

ZBRA 주식은 연중 꾸준하고 상당한 성장세를 보였습니다. 시가총액은 198억 800만 달러이며, PER(TTM)은 51.82입니다. 이러한 성장은 회사가 신제품을 출시하고 로봇 및 AI 시스템에 진출한 결과입니다.

로봇공학에서의 세라믹

로봇공학에서 고성능 세라믹을 활용하면 앞으로 시장이 변화할 것입니다. 이 연구는 로봇이 인간과 유사한 방식으로 감각을 가질 수 있음을 보여주며, 이를 통해 사람과 함께 작업하면서 위험을 줄이고 생산성을 높일 수 있습니다. 따라서 미래에 로봇 동료가 등장할 준비를 해야 합니다.

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연구 참고문헌:

^{1. Filippi, M., Balciunaite, A., Georgopoulou, A., Paniagua, P., Drescher, F., Nie, M., Takeuchi, S., Clemens, F., & Katzschmann, R. K. (2024). Sensor-embedded muscle for closed-loop controllable actuation in proprioceptive biohybrid robots. Advanced Intelligent Systems. https://doi.org/10.1002/aisy.202400413}